电梯上行超速与上行超速保护装置思考和建议

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   浅析电梯上行超速与上行超速保护装置

（作者：南京市特种设备监督检验所-冯月贵）

    GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》于2004年1月1日正式颁布实施。为解决电梯运行可能出现的上行超速，标准对上行超速保护装置提出了明确的要求，并允许采用多种类型和形式的保护装置。而产生上行超速的技术原因是多方面的，可能是制动器失效，也可能是曳引机传动啮合失效、曳引能力不足导致钢丝绳打滑或者是其它原因。目前常用的上行超速保护装置究竟对那些隐患引起的上行超速起保护作用？

1.引起上行超速的技术原因

    曳引式电梯依靠曳引机驱动，曳引轮和钢丝绳之间摩擦力带动轿厢运行，制动器有效闭合保证轿厢可靠可能制停。因此在对重侧重量大于轿厢侧重量的情况下，传动、曳引和制动的任何一个环节失效都可能导致电梯上行超速，严重时将导致冲顶。因此，引起电梯上行超速原因是多方面的：

1.1 制动弹簧松弛、制动器闸瓦和制动轮摩擦引起制动器闸瓦和制动轮过热，导致制动能力下降，制动器卡死、制动器臂、轴销断裂等故障导致制动器不能有效闭合；

1.2 曳引机主轴、轴承、齿轮、蜗杆等机械部件断裂或损坏，曳引力严重下降；

1.3 曳引条件被破坏，曳引轮和钢丝绳之间打滑；

1.4 电气控制系统故障、电机过热烧坏、动力电压异常波动等原因引起的超速。

2.部分在用电梯存在的上行超速隐患

    以上分析的超速原因中，制动器故障引起的上行失控是最为常见的，这主要是以前部分电梯采用的制动器不是安全制动器所致。GB7588-1995《电梯制造与安装安全规范》中12.4.2.1条明确规定“所有参与向制动轮（或盘）（来源微信公众号：电梯）施加力的制动器部件应分两组装设，并且具有合适的尺寸，以满足：如果一组部件不起作用时，制动轮（或盘）仍能获得足够的制动力，使载有额定载荷的轿厢缓速下行”。本来这是一条很好规定，它要求制动器机械部件设计时必须有冗余，以便当某一部件工作失效时，制动器仍能使电梯可靠制停。可惜在GB7588-1995中，这条规定被暂缓执行。由于这条规定的暂缓执行，致使部分电梯制动器在设计上存在先天缺陷，也为非安全制动器的制造和运用创造了条件。

    这种非安全制动器在部分电梯上的运用不仅给电梯上行失控带来了隐患，电梯安全回路所有的电气安全开关保护效果也因此大打折扣，因为电梯电气安全保护最终都是通过安全钳的可靠制停来发挥作用的。目前在用电梯上，这种非安全制动器应用不在少数，由于运用了这种制动器而导致电梯上行冲顶的事故在我国很多地方都有发生。在电梯安全运行越来越被重视的今天，这种具有先天缺陷的非安全制动器应引起重视。是改造制动器还是增加上行超速保护装置，亦或是采取其它措施。这既涉及经济和安全，同时还涉及曳引机的不同结构，和各种电梯结构差异，难以一概而论。但不管如何，在用电梯的上行超速，尤其是采用非安全制动器的电梯存在的上行超速隐患应引起我们电梯同行和有关部门的重视和认真对待。

3.上行超速保护装置

    值得可喜和庆幸的是在新颁布执行的GB7588-2003中，12.4.2.1条被作为强制规定执行，这必将进一步促进制动器工作可靠性的提高。而且在新标准中，上行超速保护装置作为重要的安全部件被明确要求在新装电梯上采用，这必将大大降低新安装电梯上行失控事故。   

    轿厢上行超速保护装置是安装在曳引驱动电梯上，在电梯上行超速到一定程度时用来使轿厢制停或有效减速的一种安全保护装置。（来源微信公众号：电梯）它一般由速度监控装置和减速装置两部分组成。通常采用双向限速器作为速度监控装置检测轿厢速度是否失控。减速装置则包括安全钳、夹绳器和安全制动器，分别作用于轿厢或对重、钢丝绳系统（悬挂绳或补偿绳）和曳引轮。安全制动器作为上行超速保护装置必须直接作用在曳引轮或作用于最靠近曳引轮的曳引轮轴上，目前在无机房电梯永磁同步电机上通常就是利用直接作用在曳引轮上的制动器作为上行超速保护。这种制动器机械结构设计冗余，符合安全制动器的要求，不必考虑其失效。同时由于它直接作用在曳引轮上，曳引机主轴、轴承等机械部件损坏不会影响其有效抱闸制停。当然，它不能保护如曳引条件被破坏，曳引轮和钢丝绳之间打滑等其它原因而引起的上行超速。这就引出一个问题：上行超速保护装置究竟应对哪些类型上行超速起作用？按照GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》的要求，上行超速保护装置需要对制动器制动失效和电机传动失效引起的上行超速起作用。因此，目前上行超速保护装置不能做到保护电梯所有的上行超速。

4.夹绳器缺陷思考

    作为上行超速保护装置的减速装置，其中一种是作用于钢丝绳系统的夹绳器。由于这种上行超速保护装置制造成本相对较低、安装方便，（来源微信公众号：电梯）因此相对于轿厢上行超速保护安全钳或对重安全钳，夹绳器得到较为广泛的应用。目前应用的夹绳器，一种是采用得电动作原理，即在电梯正常运行时，夹绳器的电磁铁是不通电的，当逻辑及延时电路检测到限速器机构动作时，输出一定的电流触发夹绳器的电磁铁动作，带动夹绳器压绳块动作夹紧钢丝绳。另一种是利用限速器动作机构直接带动提拉钢丝绳使夹绳器动作。

笔者认为这两种夹绳器均存在一定缺陷。

4.1 这种得电动作的夹绳器不符合GB7588-2003中14.1.1的要求。

       14.1.1规定，“在14.1.1.1中所列出的任何单一电梯电气设备故障，如在14.1.1.2和（或）附录H所述条件下，其本身不应成为导致电梯危险故障的原因”。“14.1.1.1可能出现的故障：a)无电压；b)电压降低；c)导线(体)中断；d)对地或金属构件的绝缘损坏；e)电气元件的短路或断路以及参数或功能的改变,如:电阻器、电容器、晶体管、灯等；f)接触器或继电器的可动衔铁不吸合或吸合不完全；g)接触器或继电器的可动衔铁不释放；h)触点不断开；i)触点不闭合；j)错相”。夹绳器作为电梯上行超速的最后一道保护，如果本身电气故障，如无电压、电压降低、导线(体)中断或电磁铁不吸合等将会使夹绳器不能动作，可能导致电梯危险故障。虽然有些厂家生产的夹绳器带有断电检测装置，但它不能检测以上多种可能原因引起的电气故障。而且这种得电动作、使夹绳器制动的控制方式运用在电梯安全保护装置上也是极为少见的。

        4.2 另一种是钢丝绳直接提拉式夹绳器，利用一个串联于安全回路的开关监控夹绳器提拉钢丝绳松弛状况，如果提拉钢丝绳松弛或断裂，开关断开，电梯停止，表面上看满足标准9.10.9的要求，实际上，这种上行超速保护装置对不少电梯起不到有效的保护作用，特别是部分使用非安全制动器的在用电梯更不能使用这种夹绳器。因为，电梯安全回路上任何电气保护最终都是通过制动器起作用的，一旦制动器失效，所有的电气保护将失去保护作用。因此，在电梯制动器失效引起电梯上行超速的情况下，夹绳器提拉钢丝绳松弛、断裂引起该安全开关动作，电梯并不能停止运行。这种情况下电梯的上行超速不能得到有效控制。

    综上所述，引起电梯上行超速的技术原因是多方面的，上行超速保护装置应对制动器制动失效和电机传动失效引起的上行超速进行保护。这两种部件失效也引起上行超速是最为常见的。目前部分在用电梯存在制动器制动失效和电机传动失效的安全隐患，某些型式的上行超速保护装置不能完全满足标准的电气安全要求，应引起重视。

对电梯上行超速保护装置设置要求的建议

（作者：天津市特种设备监督检验技术研究院  孙立新）


与从事的工作相关，笔者查阅了关于电梯上行超速保护的国内外标准，调查了解到电梯行业执行这些标准的相关情况，产生了一点点感想或者叫做建议，如本文的标题所述。恳求电梯界同仁对笔者的观点给与支持、补充修改或批评指正。
一、  标准对上行超速保护装置的规定
以往的电梯只设置轿厢下行超速保护装置，欧洲电梯标准EN81-1在1998年改版时把轿厢上行超速保护新增为曳引式电梯必备的安全装置。中国电梯标准GB7588《电梯制造与安装安全规范》采用与EN81-1等效，在欧洲颁布1998版的EN81-1之后， GB7588由1995版跟进为2003版，也增加了上行超速保护的条款。主要内容为：


（一）曳引驱动电梯应装设符合条件的轿厢上行超速保护装置。


（二）该装置包括速度监控和减速元件，速度监控应是限速器或符合要求的装置；减速元件应作用于轿厢，或对重，或钢丝绳系统，或曳引轮(例如直接作用在曳引轮，或作用于最靠近曳引轮的曳引轮轴上)。
（三）上行超速保护装置是安全部件，应根据F7的要求进行验证。
    国家质检总局正在制订中的（实际上已在实施）《曳引和强制驱动式电梯型式试验细则》、《电梯轿厢上行超速保护装置型式试验细则》等特种设备安全技术法规也做出了与上述相同的规定。


二、  执行标准的相关情况


（一） GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》是强制执行的国家标准，于2004年1月1日起实施，过渡期为1年。也就是说，中国境内的电梯企业，从2004年1月1日起就要实施此标准；从2005年1月1日起，未设置电梯上行超速保护装置的电梯不准生产、销售、安装。


（二）中国电梯行业引进和开发了十几种结构和式样不同的电梯上行超速保护装置；在电梯产品的实际应用中，采用钢丝绳夹绳器方案的占绝大多数。


（三）根据笔者对10家电梯生产企业、22家电梯检验机构的调查了解，目前投入市场使用的电梯上行超速保护装置故障率偏高，定期安全检验与检查操作上有困难。尚未得到由于加装了此装置而阻止了某起事故的信息。


（四）目前，电梯上行超速保护装置单台费用约为2000～4000元。加装此装置使电梯企业生产成本上扬，全国电梯行业在此装置上的投入超过2亿元。


三、 建议修订内容及理由


对GB7588-2003关于上行超速保护装置的减速元件可作用于“曳引轮(例如直接作用在曳引轮，或作用于最靠近曳引轮的曳引轮轴上)”的规定，建议修订为：
  
可作用于“曳引轮或以机械方式与曳引轮直接刚性连接的部件上（与GB7588关于制动器的要求相同）；（来源微信公众号：电梯）参与制动的传动装置应强度足够不发生机械传动联接失效。                        
传动装置强度足够不会发生机械传动联接失效的判定，可以规定为验算相关机械传动零件结构强度，在2.5倍电动机额定力矩时不发生破坏”。


修订理由如下：


对于采用蜗杆副曳引机的中低速电梯（占电梯总数的80%以上），“标准规定”的作用位置靠近被保护体（轿厢），而“建议”的作用位置可以是蜗杆轴，相对于前者增加了蜗轮蜗杆传动副。从理论上讲，装置越接近被保护体，则安全保护越可靠；假如发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等极端情况 ，前者仍然起作用而后者将失去功能，我想这就是标准规定的原因所在。（来源微信公众号：电梯）问题是发生这种极端情况有没有或几率有多大？虽然上海发生过进口行星齿轮曳引机键连接失效发生冲顶、马来西亚发生过蜗杆位移的电梯事故，但毕竟是太少太少，中国几十万台电梯运行情况和事故统计表明，中国采用蜗杆副曳引机的中低速电梯，参与制动的机械传动装置是相当可靠的，发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等极端情况的年故障率不到百万份之一。“建议”方案的安全性能及作用效果可以与“标准规定”等效，而且还规定了在2.5倍电动机额定力矩时不发生强度破坏的机械强度要求，限制上述极端情况的发生。
采用蜗杆副曳引机的中低速电梯，由于结构等因素，如果采用“标准规定”方案就必须新增减速部件如夹绳器等；“建议”方案则可以利用电梯曳引机原有的制动器，比使用夹绳器技术上更成熟，故障率更低，还可以节约新增一套夹绳器的成本。


    事故统计表明，引起电梯安全事故的故障高发区是层门闭锁装置、制动器，而不是轿厢上行超速。采纳“建议”，可以把电梯安全治理的重点继续放在高与发区之一的制动器上，既保证制动功能，也实现了电梯速度失控时刹车减速。


四、一种电梯上行超速保护设置方案


建议如果能被容许，采用蜗杆副曳引机的中低速电梯可以实施以下轿厢上行超速保护设置方案：


（一）电梯上行超速保护装置由速度监控部件和制动减速部件组成。轿厢上行速度监控部件为符合GB7588要求的限速器；制动减速部件是曳引机的机-电制动器。


（二）电梯上行超速保护装置的限速器符合GB7588第9.9.4～9.9.12条要求，应能检测出上行轿厢的速度失控，其上限是9.9.3条规定的速度，下限是电梯额定速度的115％。在轿厢上行速度达到限速器动作速度之前，限速器上的一个符合14.1.2规定的电气安全装置切断制动器电流并使电梯驱动主机停止运转。


（三）电梯上行超速保护装置的制动减速部件机-电制动器符合GB7588第12.4.2.1～12.4.2.7条要求。所有参与施加制动力的制动器机械部件分两组装设，如果一组部件不起作用，仍有足够的制动力使轿厢制停，或至少使其速度降低至对重缓冲器的设计范围内。
制动器达到上述要求，实质上相当于设置了二套独立的制动单元并联运行，即使有一套制动单元发生故障失效，另一套制动单元会可靠地完成制动减速停车功能，这就是所谓的“冗余度”，更通俗的说是有安全“备份”。


（四）对于采用蜗杆副曳引机的中低速电梯，制动减速元件允许作用于以机械方式与曳引轮直接刚性连接的部件（与GB7588关于制动器的要求相同）。
为了叙述 方便，上述电梯上行超速保护装置的设置方案简称为“限速器+冗余结构制动器方案” 。


上述的限速器与冗余结构制动器，是GB7588-2003最基本的安全要求之一，技术上已经很成熟，可以有效地阻止电梯轿厢上行超速事故；该装置的故障率和检验检查可操作性明显优于其他方案；（来源微信公众号：电梯）上述的限速器与冗余结构制动器装置电梯的原结构已经具备，可以很容易的组成电梯轿厢上行超速保护设置而基本不增加生产成本。该方案若被容许，既可以保障电梯上行速度失控时的安全，还能显著减少电梯的故障率，减少电梯企业在此装置上的投入，全国电梯行业每年可少投入2亿元。


五、关于制动器做上行超速减速部件的讨论


为说明“限速器+冗余结构制动器方案”的合理性，有必要对制动器做电梯上行超速保护装置的减速元件作进一步分析。
（一）制动器的可靠性
制动器是电梯上一个极为重要的部件，电梯上所有电气安全保护的执行最终要由制动器与主电机实现（制动停车）；同时，由于电梯承载处于空间位置，即使主电机不上电，轿厢也可能在制动器失效时因其具有位能而溜车，且这种溜车不受门锁状态的控制，容易造成开着门向下或向上滑行，发生剪切危险。轿厢上行超速的主要原因之一也是制动器故障。可以这样说，制动器一旦失效，电梯整个安全保护系统将发生崩溃！


由于电梯频繁断续工作的特性，使得制动器的工作频率相当高，也因此使发生故障的几率增大。提高制动器安全可靠性除制造安装质量以外最有效的办法就是采用可靠性理论的冗余结构，即GB7588-2003对制动器的相关规定：


“所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应分两组装设。如果一组部件不起作用，应仍有足够的制动力使载有额定载荷以额定速度下行的轿厢减速下行。”


“被制动部件应以机械方式与曳引轮或卷筒、链轮直接刚性连接。”


GB7588-2003相对于旧版的主要修订内容之一就是上述对制动器的冗余度要求，有效地防止了电梯制动失效。因此，这种冗余结构制动器可以做为电梯上行超速保护装置的减速部件，已经考虑了发生“参与对制动轮或盘制动的机电制动器机械零部件之一失效”的机械故障；符合GB7588-2003关于“该装置应能在没有那些在电梯正常运行时控制速度、减速或停车的部件参与下，达到9.10.1的要求，除非这些部件存在内部的冗余度”的规定。
      
的确，电梯发生轿厢上行超速有相当的比例是由于制动器故障制动失灵造成的。事故统计分析表明，失效的制动器绝大多是不符合“冗余结构制动器”要求的，往往是由制动器结构不具备冗余所造成。GB7588-2003 提出了制动器施加制动力的机械部件应分两组装设，如果一组部件不起作用，另一组仍有足够的制动力使轿厢制停等要求，相当于装设2套制动器，每套都可以独立地完成减速停车功能，即采取了冗余设置，提高了制动系统的可靠性，可以有效地防止由于制动器故障使电梯轿厢上行超速。


还想说明一点，电梯发生轿厢冲顶，并不一定就是上行超速所为，如果轿厢运行到顶层端站不减速停车，即使不超速也会发生冲顶。


（二）制动器的作用位置


按电梯曳引机的结构分析，制动器可以作用在曳引轮至动力输入轴之间的位置上，如直接作用在曳引轮上或曳引轮轴上；作用在曳引机的蜗杆轴上等。作用在曳引轮上或曳引轮轴上相对于作用在的蜗杆轴上，前者需要的制动力矩大，作用位置靠近被保护体。后者的作用位置与被保护体之间多了蜗杆传动副及连接零件，但需要的制动力矩大为减小。如果不会发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等情况，作用在曳引轮上或曳引轮轴上与作用在曳引机的蜗杆轴上具有相同的结果；假如会发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等情况，作用在曳引轮上或曳引轮轴上才能保障安全。从理论上讲，安全保护装置越接近被保护体，则安全保护越可靠，我想这就是EN81-1规定电梯轿厢上行超速保护装置的减速部件要求作用在曳引轮或作用于最靠近曳引轮的曳引轮轴上的原因所在。


关于曳引机是否会发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等极端情况？以及这种故障几率有多大？建议不能只听信某权威的推论，一个最简洁的方法就是数据统计，用事实说话：中国有几十万台电梯，有多少台发生了蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱造成轿厢上行超速呢？ 我听到过上海发生进口行星齿轮曳引机键连接失效造成冲顶、马来西亚发生蜗杆位移的电梯事故，但毕竟是太少太少，与听到见到的安全钳故障、夹绳器故障相比，相差几个数量级。上述情况，熟悉电梯行业情况的人士都会清楚，正如《中国电梯》2005-5期《上行超速保护装置的设计》文章所述：在实际发生的冲顶事故中，绝大多数的原因是驱动主机只有一个制动器而制动器失效，并不是“连接主驱动元件与曳引轮的零件失效”。


关于EN81-1前言0.3.10 e)将“与主驱动机组和曳引轮有关零部件的失效”列为应考虑的机械故障， 笔者认为该标准本身要求减速部件作用于曳引轮(例如直接作用在曳引轮，或作用于最靠近曳引轮的曳引轮轴上)的规定，（来源微信公众号：电梯）也没有达到此要求，因为国外有曳引轮圈与曳引轮轴连接的6个螺栓剪断后轿厢冲顶伤人的案例。任何安全装置都不能百分之百的杜绝相应事故，只能阻止绝大多数事故发生。为了防止发生蜗轮剃光头、轴断裂或联接部件松脱等情况造成制动失效，可以规定在2.5倍电动机额定力矩时不发生强度破坏等条件来保障蜗杆副及联接部件的机械强度。


（三）制动器与上行超速保护装置的关系


需要说明的是，“限速器+冗余结构制动器方案”不等于以制动器取代上行超速保护装置。制动器与上行超速保护装置的功能与设置要求各不相同，上行超速保护装置是安全部件，即使此方案能够容许，也应该根据GB7588 F7的要求进行型式试验验证。曳引机的制动器检验与F7要求的实验是两种不同的验证，应区别进行。


        六、具体建议


     （一） GB7588-2003已经发布实施，建议按照规定的程序对上行超速的条款进行评审与修订。


（二） 国家质检总局相关的特种设备安全技术法规《曳引和强制驱动式电梯型式试验细则》、《电梯轿厢上行超速保护装置型式试验细则》、《电梯安装监督检验与定期检验规则》等对电梯企业和电梯产品具有更强的约束性、强制性和可操作性。这几个法规正在制订中，建议在引用GB7588-2003关于上行超速的条款时做出修订，容许“限速器+冗余结构制动器方案”。
为证实建议的合理性，笔者正在进行以下工作：


1.  在电梯相关杂志与网站上开展电梯上行超速保护装置的专题研讨；
2.  继续收集国内外电梯上行超速事故案例，对照检查分析本建议的安全性；按照国家质检总局规定的程序，对采用本建议的电梯进行等效安全评价；
3. 进行必要的对比实验、型式试验。